计算机作业

器之间，cpu与每个控制器之间，以及每个控制器预祝储存器之间进行传送。协调总线上的所有这些活动是个很大的难题。即使设计十分出色，cpu域控制器竞争总线存储时，**总线也可能成为障碍。

此障碍称为冯·诺依曼瓶颈（von neuann bottleneck）,因为它源于冯·诺依曼体系结构，在该结构中，cpu是通过**总先从祝储存器去值的。

2.5.3 握手。

两个计算机部件之间的数据传输很少是单向进行的。即使我们可以把打印机看成接收数据的机器，但事实上他也向计算机发送数据。毕竟，计算机产生字符并向打印机发送字符的速度远远快于打印机能够打印的速度。

如果计算机盲目地把数据发送给打印机，那么打印机很快就落在后面了，结果是使数据丢失。因此诸如打印机这样的过程都会包含持续性的双向对话。计算机和外围设备之间交换设备状态的信息，协调他们之间的活动。

这个过程成为握手（handshaking）。

握手通常设计一个状态字，他是有外围设备生成并发送给控制器的一个位模式。该状态字是一个位图，其中的各个二进制位反映了该设备的各种状态。已打印机为例，其状态字的最低有效位数值可以表示该打印机是否缺纸，而下一个位可以表示该打印机是否已经准备好接受数据，另外还有一位可以用于支出是否卡纸。

控制器是自己相应这些状态信息，还是交给cpu来处理，这取决于不同的系统。无论哪种情况，状态字都提供了一种机制，用于协调与外围设备的通信。

2.5.4 流行的通信媒介。

计算机之间的通信设备有两种途径处理：并行及串行。这些术语指的是传输信号的方式。

并行通信（parallelcommunication）指的是若干信号同时传输，每个信号都在各自的线路上。这种技术数据传输快，但是需要相对复杂的通信通路。例如计算机内部总线，其中多条线路被用于同时传输大量数据快及其他信号。

与此相反，串行通信（serialcommunication）只在一条信号线上一个信号戒指一个信号地传输。相对于并行通信，串行通信只需要一条相对简单的数据途径，这也是他很流行的原因。usb与firewire在短短几米的距离内提供相对高速的传输速率，属于串行通信。

对于相对较长的距离（在家中或者办公楼里），通过以太网连接的串行通信，无论是通过电线还是通过无线电广播链接，都很流行。

多年来传统的语音**线再远距离通信方面一直主宰着个人电脑领域。这些通信路径都只有一根电信并通过它注意传输语音信号，本质上属于串行系统。这样的数字数据传输过程实现如下：

首先利用调制解调器（modulatur-demodulator，缩写为modem）将为模式转换为听得见的音调，并通过**系统穿行传输，然后再目的地有另一个调制解调器将这些音调重新装换成二进制位。

为了通过传统的**先实现更加快速的远距离，**公司提供了一种称为dsl（digital subscriber line，数字用户线路）的服务，它利用以下事实：现有**线实际上能够处理比传统话音通信所用频段更宽的频率范围。确切地说dsl使用高于可听范围的频率传输数字数据，将较低频谱用于语音通信。

虽然dsl已经非常成功，点**公司正迅速升级自己的系统来使用光纤线路（管线线路比传统**线路更容易支持数字通信）。

其它可与dsl和光纤相竞争的技术包括用于有线电视系统的电缆以及通过高频无线电广播的卫星链路。

2.5.5 通信速率。

一个计算机部件与另外一个计算机部件之间传输数据是以bit/s（biepersecond，比特/秒）计量的。常用的单位有kbit/s（kilo-bit/s，等于）、mbit/s（mega-bps，等于）和gbit/s（giga-bps，等于）。（注意位于字节之间的区别：

8kbit/s相当于1kbit/s）。使用缩写形式时，小写的英文字母b通常代表位（bit），而大写的英文之母b常用来表示字节（byte）。

对于短距离通信，usb及firewire可以提供几百mbit/s的差u你输速率，对于大多数多**应用已经足够了。再加上便利性及相对低价，如今他已被广泛用于家用计算机与本地外围设备的通信，如与打印机、外部硬盘驱动器以及相机的通信。

通过结合多路复用技术（multiplexing，数据编码或混合，是的一条通信录井可以完成多条通信路径的功能）及数据压缩技术，传统的语音**系统能够支持57.6kbit/s的传输速率，这无法满足当今多**和因特网应用（如youtube和facebook）的需要。*****隐喻啊大约需要64kbit/s的差us农户速率，即使**低品质的**也需要用mbit/s计量的传输速率。

这正是能够提供mbit/s范围的传输速率的dsl案以及卫星链路灯取代传统音频**系统的原因。（例如，dsl提供的传输速率大约位54mbit/s。）

一个特定的设置可获得的最大速率，取决于通信路径的种类以及实现过程中使用的技术。这个最大速率通常大致等同于通信路径的带宽（bandwidth），但该术语除了传输速率还有容量的含义。也就是说，说一条传输路径具有高带宽（或者提供宽带服务）意味着一台通信路径能以高速率传输位，同事意味着该通信路径还能够同时携带大量信息。

问题与练习。

1. 假设附录c描述的机器使用储存映射输入/输出，地址b5是打印机端口所在位置，要打印的数据应该发射给它。

a. 如果寄存器7包含字母a的ascii码，那么要用过打印机打印该字母，应该适用哪条机器语言指令？

b. 如果该机器美妙执行一百万条指令，那么在一秒内可以向打印机发送这个字符多少次？

c. 如果该打印机一分钟可以打印5页传统文本那么在（b）的情况下，他能够跟得上发送给它的字符吗？

2. 假设你的个人电脑硬盘每分钟3000转，每个磁道又16个扇区，每个扇区有1024个字节。如果磁盘控制器打算从磁盘驱动器中接收从旋转磁盘中读到的位，那么磁盘驱动器与磁盘控制器之间的通信速率大约是多少？

3. 一本以unicode编码的300页**，按照54mbit/s的速率需要传输多久？

2.6 其他体系结构。

为了拓宽视角，我们来考虑一些已经讨论过的传统计算机体系结构的代替方案。

2.6.1流水线。

电子脉冲在电线上的传波要比光速慢。光大约每纳秒（ns，十亿分之一秒）能传播一英尺的距离，然而cpu中的控制单元至少需要2ns才能从1英尺之外的储存单元中读取到指令。（必须发送请求道处理器，这至少需要1ns，而只另有必须送回cpu，这至少也需要1ns。

）因此，在这样的机器中取值和执行一条指令需要若干纳秒—这就意味着提高计算机执行素的的问题最终将变成小型化的问题。

然而提高执行速度并不是改进计算机性能的唯一途径。怔怔的目的是改进机器的吞吐量（throughput）--机器在给定时间内可以完成的工作总量。

在不要求提高执行速度的前提下，增加计算机吞吐量的一个例子及流水线技术（pipelining），该技术允许一个机器周期内各个步骤重叠进行。特别是，当执行一条指令时，可以处在不同的处理阶段。这样，尽管读取和执行每条指令的时间保持不变，计算机的总吞吐量却提高了。

（当然，当达到一条jump**移）指令式，不会实现欲取指令来提高效率的效果，因为“流水线”上的指令不是所需要的。）

现代吉萨u你几设计已经是的流水线思想大大超越了我。他们经常能够同时读取若干条指令，并以此可执行多条彼此互不依赖的指令。

多核cpu科技进步是的可以防止越来越多的电路在一个硅片上，一直计算机不见孩子间的无力差别逐渐变小，例如，但个芯片就可以包括cpu和祝储存器。这是片上系统的一个例子，目的是在单个设备中提供一个完整的系统，使得其可在更高的设计层面被用作一个抽象工具。在其他情况下，单个设备中提供一个完整系统，使其可在更高的设计岑面被用作一个抽象工具，在其他情况下，单个设备中还包含相同电路的多个复制品。

他最初的形式是包含若干独立门或者多重触发器的芯片。在今天的技术条件下，但个芯片可以存放下不只一个完整的cpu。这就是多核cpu设备的基础体系结构：

在同一芯片上存在连个或更多cpu以及公用的高速缓存储存器。（包含两个处理单元的多核cpu通常被称作双核cpu。）这种设备简化了mimd系统的构建，并已被迅速应用于家用计算机。

2.6.2 多处理器计算机。

可以把流水线技术看作迈向并行处理技术（parallelprocessing）的第一步，并行处理技术时若干活动在统一时间里实现的性能。然而，真正的并行处理技术需要多个处理单元，于是产生了多处理器计算。

当今许多计算机的实际都基于这种思想，其中一个策略是将若干处理单元都连接到同一个主处理器上，其中每一个东旭i昂单处理器及其中的cpu。在这样配置下，各处理器可以独立的工作，并通过把相关的信息放在公共储存单元里来协调各自的工作。例如，当某个处理器遇到一个大人物时，它可以将部分任务的程序粗存在这个公共储存器中，然后请求其他处理器执行它。

结果产生这样的计算机：不同的指令序列在不同的数据集上操作，相对于较传统的sisd（single-instructionstream，single-datastream，单指令流单数据流）体系结构，它称为mimd（multiple-instructionstream，multiple-datastream，多指令流多数据流）体系结构。

动处理器体系结构的一个变体是将多个处理器连接起来，使得他们一起执行同一个指令序列，每个处理器都有各自的数据集。这就产生了simd(single-instructionstream，multiple-datastream，单指令流多数据流)体系结构。这种计算机是用于这样的应用：

在一大堆数据里，对于其中每组类似的数据项都要执行同样的任务。

并行处理的另一种办法是将许多小型机器聚集成大的计算机，每台机器都有自己的存储器和cpu。这样，每台小型机器都与它相邻的一台或者几台机器型连接，是的富裕整个系统的任务可以分个到个太小机器上实现。因此，如果分配给某台机器内部的一项任务可以分割为若干独立的子任务，那么这台机器内部可以请求他的邻居们并发的完成各个子任务。

这样，完成任务的时间可以比由一台单独处理器计算机独立完成任务所需要的时间少得多。

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